CN114279346B - 光测量装置、方法及光声膜厚测量系统 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种光测量装置、方法及光声膜厚测量装置，装置包括：至少一个泵浦激光源，以一定角度发射高斯光束；能量调节系统，调整高斯光束的光强并将高斯光束转换为线偏振的高斯光束；光束转化模块，将线偏振的高斯光束转化为环形光束；聚焦器件，将环形光束聚焦，以使待测对象的接收表面产生至少一形变区域；形变区域获得形变幅度增强。采用不同环形光束形状的泵浦激光可以在探测表面产生形变量增强的鼓包以提高探测灵敏度以及提高信噪比，并且环形光束在聚焦之后的聚焦效果更高，结合偏振状态生成环形光束的方法，使得表面形变量更大，探测光所携带的反射信息中关于角度和光程对应的时间信息都能够获得放大，从而提高探测灵敏度和信噪比。

Description

光测量装置、方法及光声膜厚测量系统

技术领域

本发明属于光声量测系统，主要用于检测金属膜、介质膜的测量，具体来说，涉及一种光测量装置、方法及光声膜厚测量系统。

背景技术

目前现有技术中的光声量测主要基于如下：短脉冲激光照射在膜样品表面，膜样品吸收光子产生热弹性变形，表面形成形变区；热弹性变形产生声波在固体表面及内部传播；纵向声波传播到界面(基底或膜与膜的交界)处产生第一次回声信号；第一次回声信号到达上表面，使形变形貌进一步发生变化；回声信号碰到上表面后又回弹，回弹碰到界面后产生第二次回声信号；第二次回声信号到达上表面，使鼓包形貌再次发生变化，如图1中的设计意图中所示，当然回声信号也可能包括三次以上。通过光探测器获取由形貌变化导致的入射光束的反射率变化，从而可获取两次反射率变化时间间隔，由此可计算得到膜样品厚度值。

而在具体的测量装置设置上，如图1中所示，泵浦光源1入射到待测膜2的表面产生形变区4，将入射探测光5a打在形变区4上，由于回声回传时膜层表面的形变区形貌会发生变化，由于会导致形变区在回声信号的到达之时所产生的进一步形变会对反射探测光5b产生影响，这种影响配合接收端的光学元件的使用，可能是幅度或者相位等各种影响，一般来说，探测模块6获取形貌变化导致的光反射幅度的变化，从而可获取的光信号幅度变化的时间间隔，通过膜厚计算公式得到膜厚值，由此，探测反射探测光5b的变化对提高光声探测装置精度的影响尤其重要，而在其中，泵浦光对形变区4的影响也是提高探测反射探测光5b的变化从而提高探测精度的一个重要因素。

发明内容

为解决现有技术中存在的上述问题，本发明提出了一种利用激光光束形状提高光声膜厚度测量信噪比的装置和方法，使用光束转化器及聚焦生成小束腰的光斑，并且增加能量调节系统，从而达到提高探测器信噪比，结构简单，并且易于工程实现及自动化实现，并且空间体积小，结构紧凑。

为解决上述技术问题，本发明提供了一种光测量装置，其特征在于，所述装置包括：

至少一个泵浦激光源，以一定角度发射高斯光束；

能量调节系统，用于调整所述高斯光束的光强并将所述高斯光束转换为线偏振的高斯光束；

光束转化模块，用于将所述线偏振的高斯光束转化为环形光束；

聚焦器件，用于将所述环形光束聚焦，以使待测对象的接收表面产生至少一形变区域；

所述形变区域获得形变幅度增强，所述形变幅度增强为所述形变区域的表面平均梯度增大。

进一步地，所述环形光束为环形径向偏振光束或环形角向偏振光束。

进一步地，所述环形光束经聚焦后的束腰半径比转化前的所述高斯光束经聚焦后的束腰半径减少20％及以上，40％及以下。

进一步地，所述能量调节系统包括一个半波片和一个偏振片。

进一步地，所述光束转化模块包括超结构波片，涡旋相位板，DOE衍射元件，圆锥透镜或空间光调制器中至少一种。

进一步地，所述聚焦器件为低数值孔径透镜。

进一步地，还包括相位调制器件，所述聚焦器件为高数值孔径透镜。

本发明还公开了一种光测量方法，其特征在于，

发射高斯光束；

调整所述高斯光束的光强并将所述激励源高斯光束转换为线偏振的高斯光束；

将所述线偏振的高斯光束转化为环形光束；

所述环形光束经聚焦后以使待测对象的接收表面产生至少一形变区域，所述形变幅度增强为所述形变区域的表面平均梯度增大。

进一步地，所述环形光束为环形径向偏振光束或环形角向偏振光束。

本发明还公开了一种利用所述光测量装置的光声膜厚测量系统，其特征在于，包括：

所述光测量装置，使所述待测膜上表面产生至少一形变区域；

对所述形变区域施加探测光，获取所述形变区域对应反射光束的信号强度峰值变化信息；

计算单元，根据峰值对应的时间间隔计算出待测膜的厚度。

本发明所涉及的技术方案，为提高信噪比，使用改变泵浦激光光束形状的方案，将高斯光束转换成环形光束；由于环形光束有更小的束腰，因此能获得相较于高斯光束更小的聚焦光斑，使得光束功率密度更大；

在生成环形光束后，基于入射泵浦光束进行相应的电场分布表达式的调制，调制目标入射泵浦光光斑的电场分布，提高探测器信噪比；

进一步可采用偏振状态生成的方式来获得环形光束，使得具备偏振状态的环形光束聚焦后作用于待测表面后产生更加聚焦的能量，以及更强的材料吸收率，以进一步提高探测的信噪比。

附图说明

图1为按照现有技术中进行光声测量技术的回声测量的探测光路结构示意图；

图2为本发明中的光声测量技术的对泵浦光进行光束转换调节的光路结构示意图；

图3为按照本发明实现的利用偏振调节实现环形光斑生成的一种实施方式的示例图。

在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：

101-短脉冲激光光源，102-半波片，103-偏振片，104-准直透镜，105-准直激光光束，106-偏振分光片，107-探测光，108-泵浦光，109-光声探测器，110-光束转换器，111-聚焦透镜，112-准直透镜，113-光电探测器，114a,b-反射镜，115-待测表面。

具体实施方式

应理解，以下为本实施例的不同特征的许多不同的实施例或例子。以下描述的构件与安排的特定例子，以简化说明实施例。当然，这些仅仅是例子而不是用以限制具体的实施方式。按照本发明的其中一种实施方式，本发明提出了一种光测量装置、方法及光声膜厚测量系统，能够显著提高探测测量信噪比。

如图2所示，一种光测量装置，包括：用于产生高斯光束的短脉冲激光光源101；能量调节系统，用于调整高斯光束的光强并将高斯光束转换为线偏振的高斯光束，能量调节系统包括一个半波片102和一个偏振片103；一个准直透镜104。激光器出射的光通过准直透镜104准直为激光光束105，一个偏振分光片106将准直后的激光光束105分成两路光束，一路光束为探测光107，一路光束为泵浦光108，且两路光束的偏振方向互相垂直。泵浦光108通过光束转换器110后被聚焦透镜111聚焦在样品表面。

优选的，能量调节系统中，半波片102更为靠近所述激光光源101。通过转动半波片102，同时固定偏振片103的快轴方向，可以获得不同方向的线偏振光束，并且不同方向的线偏振光束的光强也会不同，经过所述能量调节系统后的光束光强由如下公式确定:I₀＝cos(θ)，I₀为入射光光强，θ为线偏振方向与偏振片103的快轴方向的夹角，也即输出光束光强可通过半波片102的转动角度来调节。因此所述能量调节装置不仅能对光束能量进行调节，还能对输出光束的线偏振方向进行选择。优选的，通过设置偏振片快轴方向以产生水平线偏振或竖直线偏振的泵浦光束。

作为本发明的其中一个方面的技术构思，设置于一个光束转换器110，用于将高斯圆形光斑调制成环形光斑。经过光束形状调制后的入射光照射在样品表面。由于产生的环形光斑束腰较小，因此通过聚焦透镜111后能获得更小的光斑尺寸，有更高的能量密度。因此产生的表面鼓包更大，从而增大探测的信号强度。

本发明主要是利用光束转换器产生环形光束，不同半径的环形光束经过聚焦透镜后，在被测物体上产生不同光学纵深的焦点，从而产生不同形貌的鼓包大小，进而增强探测信噪比。

其中聚焦后的激光光斑形状对材料作用的影响如下所示：

光斑电场强度

其中E₀为电场强度幅度，m为拓扑荷数，ω₀为束腰半径，r为离轴的径向距离，

当拓扑荷数m＝0时，I＝E*E^*,此时为高斯光斑，其光强为其中I₀为光强幅度；

当拓扑荷数m＝1时，此时为环形光斑，其光强为：

对两种光斑能量进行理论积分计算：

由此得出，高调制斯光斑和环形光斑能量相同时，两种光斑的光强比为：由此可推导出当在相同峰值光强的情况下，聚焦后的环形光斑的束腰较小，为高斯光束的0.707倍，也即环形光束聚焦后的束腰半径比高斯光束聚焦后的束腰半径减少20％及以上，40％及以下，因此可以获得聚焦光斑尺寸较小。

作为本发明的其中一种将上述高斯圆形光斑调制成为环形光斑的实施方式，包括如下的设置，如图2中所示，进一步说明的是，本发明的构思在于将激光器发射的高斯光斑转换为环形光斑，再通过聚焦的方式作为泵浦激励源发射于待测膜，能够获得更小束腰半径的聚焦效果，能量的集中使得对形变区域的作用幅度增强，从而提高探测信噪比，例如圆锥透镜的光束转换方式能够将激光束聚焦成为激光环，但是在本实施方式中，基于泵浦光束的偏振态，利用光束转换器生成环形激光光斑，再经聚焦后可获得形变区域激励效果更好的泵浦光生成。

短脉冲激光光源101生成泵浦高斯光束，

偏振片103：用于获取高纯度线偏振光束，并且该线偏振光束电场横截面不会发生改变。优选的，通过设置偏振片的快轴方向以产生水平线偏振或竖直线偏振的泵浦光束。

半波片102：为一定厚度的双折射单晶波片。光垂直入射通过半波片102时，出射的寻常光和异常光之间相位差等于π或其奇数倍，用于调整光强。

光束转换器110：包括相位延迟光学元件，可为但不限于：超结构波片，涡旋相位板，DOE衍射元件，圆锥透镜，空间光调制器等，可将高斯光束转换成环形光束。同时，经过光束转换器110后，线偏振高斯光束转换为径向偏振或者角向偏振的环形光束，也即所述光束转换器不仅改变了光束形状，还改变了光束的偏振态。优选的，光束转换器110采用具有快轴的相位延迟光学元件。

当经过能量调节系统的泵浦光束的偏振方向与光束转换器的快轴方向平行时，可获得径向偏振光束；当偏振方向与光束转换器的快轴方向垂直时，获得角向偏振光束。因此不管光束穿过偏振片后获得水平线偏振还是竖直线偏振，只需转动光束转换器的快轴，使之与偏振方向的夹角满足径向偏振或者角向偏振的产生条件即可。增加了偏振转换的灵活性。

聚焦透镜111：根据使用的聚焦透镜数值孔径不同，可以降低光束束腰。特别的，使用高数值孔径聚焦透镜可以将输入的径向偏振光或者角向偏振光进行紧聚焦。由于径向偏振光和角向偏振光所带的电场分量不同，因此聚焦后的光斑形状、尺寸会有所改变，紧聚焦可以获得更小的光斑尺寸。经低数值孔径透镜聚焦后的径向偏振光或角向偏振光环形光束束腰会比使用相同透镜聚焦的高斯光束束腰小；使用高数值孔径的透镜聚焦后的环形光斑束腰尺寸会比使用低数值孔径透镜聚焦的后的光斑束腰还更小。因此，相较于高斯光束，聚焦后获得的径向偏振光或角向偏振光光斑较小，能量密度较高。

径向偏振光存在径向光场分量和纵向光场分量，在不聚焦的情况下环形光斑的束腰会大于高斯光斑的束腰。当使用低数值孔径透镜(NA小于1)聚焦后的径向偏振光呈环形光场分布时，径向光场分量强度大于纵向光场分量，但聚焦后的束腰会有所减小。随着使用透镜的NA加大，纵向场分量会逐渐加大，当使用高数值孔径透镜(NA大于1)聚焦后，径向光场分量强度小于纵向光场分量，径向偏振光再呈圆形光场分布。也即在高数值孔径聚焦情况下，纵向场分量在整个电场分布中起主导作用，光束形状再变为圆形。此时获得的光斑尺寸小于圆偏振或线偏振光聚焦后的光斑尺寸。

角向偏振只存在角向光场分量，因此角向偏振光经聚焦后也只存在角向分量，此时的光束形状仍为环形光斑，并且角向偏振环形光经聚焦后的环形光斑尺寸比径向偏振光在相同透镜下聚焦的环形光斑尺寸要大，但小于未聚焦的环形光斑尺寸。也即角向偏振光束在高数值孔径或者低数值孔径透镜聚焦下均为环形光斑，但是进一步地，经过相位调制(调节相位0-2)的角向偏振光在高数值孔径透镜下可以获得圆形形状光斑，且光斑尺寸小于高数值孔径聚焦下的径向偏振圆形光斑尺寸，因此也能获得高能量密度光束。

泵浦光高斯圆光束通过光束转换器110后转换为环形光束，同时，高斯光束线偏振状态转换为环形光束径向偏振或者角向偏振状态。经过小数值孔径聚焦透镜111后，环形光束形状不变，但聚焦后的环形光斑的束腰小于高斯光斑聚焦后的束腰，进一步的，环形径向偏振光聚焦后的光斑束腰小于环形角向偏振光聚焦后的光斑束腰。如不使用聚焦透镜111，所得到环形光斑的束腰大于高斯光斑的束腰。所述环形径向偏振光经过大数值孔径聚焦透镜111后，可以获得径向偏振的圆形光束。此时获得的径向偏振圆形光束束腰要小于圆偏振或线偏振激励源光束直接聚焦后获得的圆形光束束腰，因此获得的聚焦光斑最小。

进一步地，本发明的一个实施例中，还包括相位调制器109。示例性的，环形角向偏振或环形径向偏振光束在通过包含相位调制器以及高数值孔径透镜的光路后，均可聚焦为圆形光斑。相位调制器可以一定程度上改变聚焦光束的传播路径，使得部分光线经过本没有光线的环形中空区域，从而获得实心的光斑。因此根据实际需求调节相位以获得聚焦小光斑。在此发明中，相位调制可以使用声光调制器调制，除此之外，调节相位的方法还有增加DOE衍射元件，光栅等方法。进一步的，相位调制器109还可用来调节泵浦光束的频率以降低光束背景噪声，提高探测灵敏度。

本发明所涉及的方法和装置检测的待测膜可以是块状的(例如，诸如金属或半导体的固体)，薄膜(例如，聚合物，半导体或金属膜)，流体，表面或表现出光声时间扰动的效应。典型的样品包括半导体工业中使用的金属膜，例如铝，钨，钛，钛：钨，钛或氧化物薄膜等。可以在这些样品中确定的材料特性包括机械，物理(例如，厚度)，弹性，(深度依赖和/或各向异性)扩散，基于粘附，热(例如，热扩散)和与之相关的粘性特性。

作为本发明的泵浦光的光测量装置进行光声膜厚测量的其中一种实施方式：

泵浦光108，从待测膜115的上表面向下底面发射多个激励源，以使待测膜115上表面产生至少一形变区域(鼓包)；探测光107经反射镜114a-b后照射在待测膜115表面产生的形变区域后反射光经准直透镜112准直后照射到光电探测器113中由电脑进行信号收集分析。分析上述所述的探测反射光束变化的装置，获取所述形变区域对应反射光束信号强度峰值变化以及反射光束反射率变化的信息；根据探测到的峰值对应的时间间隔计算出待测膜厚样品115的厚度。

对于上述的整体实现反射光角度测量的光学系统，其中所涉及的光学元器件中泵浦光源1也称激发光源，除Nd：YAG激光器之外的光源可用于光学激发薄膜，在具体的实施方式中，激光器也可以包括Nd：YLF，离子(例如氩和氪)，Ti：蓝宝石，二极管，CO2，钬，准分子，染料和金属蒸气激光器等，上述泵浦光源1的作用是在样品表面产生形变区4，其波长、所产生激光脉冲能源、周期以及光束腰部的参数，可以根据待测膜2的薄膜的特性，以及其激光本身的特性来进行设计。在其它的一些研究中，通常通过在泵浦光源1之后设置衍射元件，将泵浦光源1进行转化为带有衍射图案的光源入射待测膜2的表面3，在这种基础之上，与聚焦的光斑所产生的鼓包不同，会产生有与衍射图案对应的形变，所形成的光声效应的变化会更复杂，也会更容易受到干扰而产生变化。

另外，对于本发明所涉及方案的具体实施方式中，泵浦光源1的类型，和是否与探测入射光束5a的入射角度一致，并不做严格的限定，在整个光学检测系统中，通常也通过同时采集泵浦光的脉冲来作为泵浦光与探测入射光束5a泵浦与检测触发的参考信号源。

类似地，以上与泵浦光源1类似的除了二极管激光器之外的光源可以选作探测激光器，可用于产生入射光束5a的脉冲光源包括Q开关Nd：YAG，Nd：YLF，Ti：蓝宝石，二极管，CO2，钬，准分子，染料和金属蒸气激光器等。而本发明的设计方案中所涉及的入射探测光5a对波长范围也具有较强的适应性，并不做严格的限定，但是对入射光束5a的准直性建议要求较高，使之与光学系统中的其它光学元件的场强权衡配合设计。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种光测量装置，其特征在于，所述装置包括：

至少一个泵浦激光源，以一角度发射高斯光束；

能量调节系统，用于调整所述高斯光束的光强并将所述高斯光束转换为线偏振的高斯光束；

光束转化模块，基于所述线偏振的高斯光束的偏振方向，将所述线偏振的高斯光束转化为径向偏振或者角向偏振的环形光束；

聚焦器件，用于将所述环形光束聚焦，以使待测对象的接收表面产生至少一形变区域；

所述形变区域获得形变幅度增强，所述形变幅度增强为所述形变区域的表面平均梯度增大。

2.如权利要求1中所述的光测量装置，其特征在于，所述环形光束经聚焦后的束腰半径比转化前的所述高斯光束经聚焦后的束腰半径减少20％及以上，40％及以下。

3.如权利要求1中所述的光测量装置，其特征在于，所述能量调节系统包括一个半波片和一个偏振片。

4.如权利要求1所述的光测量装置，其特征在于，所述光束转化模块包括超结构波片，涡旋相位板，DOE衍射元件，圆锥透镜或空间光调制器中至少一种。

5.如权利要求1中所述的光测量装置，其特征在于，所述聚焦器件为低数值孔径透镜。

6.如权利要求1-4中任意一项所述的光测量装置，其特征在于，还包括相位调制器件，所述聚焦器件为高数值孔径透镜。

7.一种光测量方法，其特征在于，

发射高斯光束；

调整所述高斯光束的光强并将所述高斯光束转换为线偏振的高斯光束；

基于所述线偏振的高斯光束的偏振方向，将所述线偏振的高斯光束转化为径向偏振或者角向偏振的环形光束；

所述环形光束经聚焦后以使待测对象的接收表面产生至少一形变区域，所述形变区域获得形变幅度增强，所述形变幅度增强为所述形变区域的表面平均梯度增大。

8.一种具备如权利要求1-6中任意一项中所述的光测量装置的光声膜厚测量系统，所述待测对象为待测膜，其特征在于，包括：

所述光测量装置，使所述待测膜上表面产生至少一形变区域；

对所述形变区域施加探测光，获取所述形变区域对应反射光束的信号强度峰值变化信息；

计算单元，根据峰值对应的时间间隔计算出待测膜的厚度。